CN1263953C - 线性压缩机 - Google Patents

Abstract

线性压缩机包括具有缸体孔(71)的缸体部分(10)和设置在所述缸体孔(71)中并且可在其中滑动的活塞(4)。主弹簧(15)将缸体部分(10)直接或者间接地连接到活塞(4)上。连杆(47)连接在主弹簧(15)和活塞(4)之间。定子(5)具有气隙，连杆(47)通过所述气隙。至少一个电枢转子极(2)沿着连杆(47)设置。

Description

线性压缩机

技术领域

本发明涉及线性压缩机，尤其涉及但不仅仅是用于冰箱的压缩机。

背景技术

压缩机，尤其是冰箱压缩机通常是由旋转电动机驱动。但是，即使以它们最有效的形式，也存在着与将旋转运动转变成线性往复运动的曲柄系统相关的巨大损失。替代地可以使用不需要曲柄的旋转压缩机，但具有高的向心载荷，导致巨大摩擦损失。由线性电动机驱动的线性压缩机不具有这些损失，并且能够设计成使轴承载荷足够低以便可以使用如美国专利US5,525,845所公开的空气静力学气体轴承，其中，一个侧向顺从连杆使得具有低轴承载荷。

空气静力学气体轴承的讨论包括在1970年由伦敦机械出版有限公司出版的作者为J.W.Powell的“空气静力学轴承设计”。利用正常的制造公差和设备生产有效的气体轴承是困难的。

现有压缩机安装在密封壳体中，密封壳体在使用中用作制冷剂气体的储存器。制冷剂气体从该储存器被给入到压缩机中并通过排出管经过壳体从压缩机中排出。

压缩机的运行涉及移动部件的往复运动，导致压缩机单元沿着所有三个轴线方向振动。为了减小振动的外部噪音影响，压缩机安装在密封壳体内的隔离弹簧上。

对于线性压缩机，活塞仅仅沿着一个轴线方向相对于缸体振动，结果导致在任何被固定的部件上的反作用力。对这个问题提出的一个解决方案是同步运行以平衡和相对方式配置的一对压缩机。但是，这种配置对于诸如家用冰箱的商品而言太复杂而且成本较高。提出的另一方案是增加一个共振配重以减小振动。但是，这种方法限定了压缩机的运行，因为配重是一个负反馈装置并且被限制于基本的不平衡力。在1990年于马萨诸塞州普利茅斯举行的第6届国际低温冷却机会议的会议论文集中由Gully和Hanes撰写的“用于IR系统的小型旋转和线性低温生成冷却机”中提出了另一方案。该方案涉及将压缩机的活塞部分和缸体部分独立地支撑在壳体中，使得定子起一个配重的作用。但是，当活塞质量较低时，在家用冰箱中实施这种设计存在问题。在这种压缩机中，当排出压力增加时，压缩气体的力起一个弹簧的作用(气体弹簧)，弹簧在排出压力增加时增大运行速度。这也存在问题，因为“第三”振动模式(其中，活塞和缸体相互同步但与压缩机外壳不同步地振动)仅仅稍稍位于理想的“第二”振动模式(其中，外壳不振动，并且活塞和缸体不同步)之上。因此，当“气体弹簧”开始运行并且有效地将“第二”模式频率升高到并且最终位于“第三”模式之上时外壳开始过度地振动。

对许多应用场合来说，理想的是压缩机的尺寸应当较小。这减小了包括弹簧和共振系统的所有部件的尺寸。减小压缩机的尺寸要求压缩机以更高的频率运行。以更高频率的减小尺寸结合起来将增大弹簧元件中的应力。在一些线性压缩机中，主弹簧是由压制弹簧钢板制成的。已经发现，在压制操作中切割的边缘需要仔细的抛光以重新获得弹簧钢板最初强度，并且由于意外的应力集中而频繁地出现故障。

压缩机的另一问题是一般具有热量积聚，尤其是在压缩机缸体和气缸盖附近。热量积聚是由移动元件之间的摩擦和从压缩的制冷剂传递的热量而导致的。热量积聚产生增加磨损、运行条件、以及随压缩机已经运行的时间周期变化的部件之间的公差方面的主要问题。这些影响对于可能运行较长时间周期并且狭窄间隙对其十分重要的线性压缩机尤其显著，尤其在使用空气静力学气体轴承系统时。

另一加热影响是来自于在压缩之后从保留在压缩空间中的制冷剂重新膨胀之前不可逆的热量损失。在线性压缩机中，大约15％的压缩制冷剂可能没有排出，与此相比较的是，在曲柄驱动压缩机中大约为5％。在现有压缩机中可以忽略的这些热源在线性压缩机中是重要的热源。

冷却压缩机的缸体和气缸盖的一个方法涉及使用从后续制冷系统中的冷凝器供给的液体制冷剂。例如在美国专利US2510887中，来自冷凝器的液体制冷剂被供给到环绕缸体的第一冷却套，因而供给到环绕压缩机头部的第二冷却套，并且随后从文丘里管装置射入连接在气缸盖和冷凝器之间的排出管线中。这是在标准曲柄驱动压缩机的范围内。也是在标准曲柄驱动压缩机的范围内，US5694780显示了来自冷凝器的液体制冷剂通过一个泵被升高到更高压力的管路。液体制冷剂被泵入环绕压缩机缸体的冷却套中。液体制冷剂从冷却套强制进入在压缩机气缸盖中的排出总管，在这里当压缩制冷剂排出压缩机时它与压缩制冷剂混合。这种配置的缺点是需要另外的泵用于使液体制冷剂通过环绕缸体的冷却套并随后克服压缩气体的压力进入排出总管。

已经开发了许多线性压缩机用于替代已经是商品的现有旋转往复运动压缩机。为了具有紧凑尺寸，已经制造出其中的定子、电枢转子、缸体和活塞全部集中地设置的压缩机。但是，现有压缩机的尺寸限制了冰箱的机器室的尺寸，并导致在机器室中压缩机周围空间的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑的线性压缩机，该线性压缩机能够克服上述现有技术中的缺点。

在第一方面，本发明提供一种线性压缩机，包括：

包括缸体孔的缸体部分；

设置在所述缸体孔中并且可在其中滑动的活塞；

将所述缸体部分直接或者间接地连接到所述活塞上的主弹簧；

连接在所述主弹簧和所述活塞之间并将所述主弹簧连接到所述活塞上的连杆；

具有气隙的定子，所述连杆通过所述气隙；以及

沿着所述连杆设置的至少一个电枢转子极(armature pole)。

另一方面，本发明提供一种线性压缩机，包括：

包括缸体孔的缸体部分；

设置在所述缸体孔中并且可在其中滑动的活塞；

将所述缸体部分直接或者间接地连接到所述活塞上的主弹簧；以及

连接在所述主弹簧和所述活塞之间并将所述主弹簧连接到所述活塞上的连杆，并以下面至少一个连接作为顺从连接(compliant connection)：

(a)所述活塞和活塞杆之间的连接；以及

(b)所述活塞杆和所述主弹簧之间的连接。

在又一方面，本发明提供一种制冷系统，包括共振线性压缩机，它具有相互配合的活塞和缸体、以及电磁线性电动机，所述活塞和缸体的相对运动由弹簧系统控制，所述电磁线性电动机制作成以所述系统的固有频率驱动所述活塞和缸体的相对运动，所述制冷系统使用异丁烷作为工作流体。

在又一方面，本发明提供一种线性压缩机，包括：相互配合的活塞和缸体、以及电磁线性电动机，所述活塞和缸体的相对运动由弹簧系统控制，所述电磁线性电动机制作成以所述弹簧系统的共振频率驱动所述活塞和缸体的相对运动；

位于所述活塞之上的压缩空间；

环绕所述缸体的室；

通入所述室的冷却高压制冷剂入口，使得来自制冷回路的冷凝器之后的制冷剂进入所述室；

从所述压缩空间的压缩制冷剂出口；以及

从所述压缩空间通向所述室的压缩制冷剂排出路径。

在又一方面，本发明提供一种线性压缩机包括：

包括缸体孔的缸体部分；

设置在所述缸体孔中并且可在其中滑动的活塞；

在与所述缸体头部端相对的端部连接到所述缸体部分上并具有气隙的定子；

直接或者间接地连接在所述活塞和所述缸体部分之间的主弹簧；

连接在所述主弹簧和所述活塞之间并将所述主弹簧连接到所述活塞上的连杆；以及

工作在所述定子的所述气隙中并且与所述活塞杆连接的电枢转子。

在又一方面，本发明提供一种弹簧，尤其是用作连接在线性压缩机的缸体和活塞部分之间的主弹簧，包括：

由高疲劳强度金属钢丝制成的闭合环，它具有在第一平面上的第一直的部分和在与第一平面平行的第二平面上的第二直的部分、以及大体上恒定曲率的第一和第二螺旋部分，每个螺旋部分连接在所述第一直的部分的一端与所述第二直的部分的一端之间，所述螺旋部分具有从所述第一部分移动到所述第二部分的相同弯曲方向。

在又一方面，本发明提供一种线性压缩机，具有相对彼此往复运动的活塞部分和缸体部分、以及连接在所述活塞部分和所述缸体部分之间的如上所述的主弹簧。

在又一方面，本发明提供一种线性压缩机，包括：

缸体部分；

活塞部分；

连接在所述缸体部分和所述活塞部分之间、并且沿着所述活塞部分相对于所述缸体部分往复运动的方向运行的主弹簧；

密封壳体；

布置成在所述缸体部分与所述活塞部分之间运行的线性电动机；

连接在所述缸体部分和所述壳体部分之间并且沿着所述往复运动的方向运行的缸体部分弹簧装置；其特征在于：

(a)所述缸体部分弹簧装置由位于缸体部分和密封壳体之间的必要连接的综合效果构成，包括从所述缸体部分延伸至少到所述壳体的排出管；和/或

(b)所述缸体部分弹簧装置具有低刚度，所述活塞部分具有小于所述缸体部分的质量的1/5的质量，并且没有直接连接在所述活塞部分与所述壳体之间的活塞部分弹簧装置。

在又一方面，本发明提供一种线性压缩机，包括：

包括缸体孔的缸体部分；

设置在所述缸体孔中并且可在其中滑动的活塞；

将所述缸体部分连接到所述活塞的主弹簧，所述主弹簧与所述缸体部分的连接包括位于所述主弹簧上的至少一对安装突出部；

相对于所述主弹簧的每个所述突出部位于所述缸体部分上的抵靠表面，所述主弹簧的每个所述突出部抵靠相应的所述抵靠表面，所述抵靠表面形状形成为阻止相应的所述突出部沿着一个方向相互移离；以及

从所述一个方向紧靠所述突出部的弹簧阻挡装置，所述弹簧阻挡装置具有紧靠所述突出部至少超过沿着所述一个方向施加在所述主弹簧上的预期动力的总预加压力。

在又一方面，本发明提供一种制造线性压缩机的方法，以便将线性压缩机的活塞连接到线性压缩机的弹簧上，所述方法包括可以任一顺序实施的如下步骤：

(a)将活塞设置在压缩机缸体孔中的预定轴向位置上；

(b)将已经与缸体部分连接的弹簧的活塞连接位置设定在基于弹簧预定位移量的位置或者弹簧施加预定反作用力的位置；以及

(c)在根据步骤(a)和(b)所获得的间隔确定的严格的轴向间隔处将所述活塞与所述弹簧的所述活塞连接位置结合起来。

对于本发明相关的领域的熟练技术人员而言，在不脱离本发明权利要求范围的情况下，可以对本发明的结构提出许多改变以及多个不同的实施例与应用。这里所公开的内容和描述仅仅是出于说明的目的而不构成对本发明的限定。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的线性压缩机从上方看的局部分解图；

图2是从另一方向看的电动机和压缩机组件的分解图；

图3是从一个方向看的压缩机组件头端的分解图；以及

图4是从另一个方向看的压缩机组件头端的分解图。

具体实施方式

总体结构

示于图中的本发明的实施例涉及驱动共振往复运动压缩机的永磁线性电动机，它们在密封壳体中一起运行。压缩机包括在缸体衬筒10内的缸体孔71中往复运动并且在工作流体上运行的活塞3，4，工作流体被交替地吸入位于缸体头端的压缩空间和从其排出。连接到缸体的气缸盖组件27封闭缸体衬筒10的开口端以形成压缩空间，并且包括入口和出口阀118，119以及相关的总管。压缩的工作气体通过出口阀119从压缩空间排出进入排出总管。排出总管将压缩工作流体导入环绕缸体衬筒10的冷却套29中。排出管18从冷却套29经过并通向密封壳体外部。

缸体衬筒10和冷却套29整体地形成为单体33(例如一个铸件)。冷却套29包括一个或者多个开口端室32，开口端室大体上相对缸体衬筒孔71的往复运动轴线定位并环绕缸体衬筒孔71。开口端室32大体上被(气缸盖组件27)封闭以形成冷却套空间。

线性电动机包括一对相对的定子部分5，6，它们刚性地连接到缸体铸件33上。

在缸体衬筒10中往复运动的活塞3，4通过弹簧系统连接到气缸盖组件27上。它以或接近于自然共振频率运行。弹簧系统的主弹簧元件是主弹簧15。活塞3，4通过活塞杆47连接到主弹簧15上。主弹簧15连接到从缸体铸件33延伸的一对支架41上。该对支架41、定子部分5，6、缸体铸件33和气缸盖组件27一起构成在讨论弹簧系统中所提到的缸体部分1。

活塞杆47将活塞3，4连接到主弹簧15上。活塞杆47优选地是刚性活塞杆。活塞杆具有多个沿着其间隔的永磁体2并构成线性电动机的电枢转子。

为了使活塞3，4和缸体衬筒孔71之间的摩擦载荷较低，并且尤其是减小任何侧向载荷，活塞杆47是弹性并且柔韧地与主弹簧15以及活塞3，4连接。尤其是以在主弹簧15上的模制钮25和活塞杆47之间的熔融塑性连接的形式在活塞杆47的主弹簧端部48和主弹簧之间形成弹性连接。在其另一端，活塞杆47包括一对间隔开的环形凸缘3，36，它们装配在活塞套4中以形成活塞。凸缘3，36与活塞杆47的一对铰接区域35，37间隔串联。该对铰接区域35，37形成具有相互成直角弯曲的主轴。

在主弹簧端部48，活塞杆47被其与主弹簧15的连接有效径向地支撑。主弹簧15制作成它可以进行往复运动但基本上阻止缸体中的任何侧向运动或者与活塞往复方向垂直的运动。在本发明优选实施例中，侧向刚度是轴向刚度的近似三倍。

包括缸体部分的组件不是刚性地安装在密封壳体中。除了与壳体的支撑连接：排出管18、液体制冷剂注入管线34和后支撑弹簧39之外，它可以沿着活塞往复方向自由移动。排出管18、液体制冷剂注入管线34和后支撑弹簧39分别形成为在缸体中沿着活塞往复方向已知特性的弹簧。例如，排出管18和液体制冷剂注入管线34可以紧邻它们端部形成为螺旋弹簧，它们穿过密封壳体30。

总的往复运动是活塞3，4与缸体部分的运动总和。

气体轴承

活塞3，4通过空气静力学气体轴承径向支撑在缸体中。压缩机的缸体部分包括具有从其贯穿的孔7的缸体铸件33和位于孔7中的缸体衬筒10。缸体衬筒10可由适合减少活塞磨损的任何材料制成。例如，它可以由诸如具有15％PTFE的碳纤维加强尼龙的纤维加强塑性组分(也优选地用于活塞杆和活塞套)制成，或者可以由具有自润滑效果的石墨片铸铁制成。缸体衬筒10具有贯穿的开口31，从其外侧圆柱面70延伸到其内部的缸体衬筒孔71。活塞3，4在内部的缸体衬筒孔71中行进，并且这些开口31形成气体轴承。压缩气体源通过一系列气体轴承通道供给到开口31。气体轴承通道在一端通向气体轴承供应总管，气体轴承供应总管形成为在缸体衬筒10与缸体衬筒孔71之间绕着缸体衬筒10位于其头部的环形室。气体轴承供应总管又通过小供应管道73由压缩机的压缩气体总管供给。小尺寸的供应管道73控制气体轴承供应管道中的压力，从而限制气体轴承的气体消耗。

气体轴承通道形成为位于缸体衬筒10外壁70上的凹槽80。凹槽80与缸体孔7的壁结合以形成通向开口31的密封通道。应理解的是，尽管凹槽可以替代地形成在缸体孔7的内壁上，但它们形成在缸体衬筒10上比形成在缸体铸件33上更容易，作为一个外表面而不是一个内表面。能够在一个或者其它部件的表面上机加工凹槽而不是必须钻出通道是一个巨大的制造改进。

已经发现，气体轴承通道中的压降必须与活塞3，4和缸体衬筒10的孔71之间的排出气流中的压降类似。由于(对于有效的紧凑压缩机)活塞3，4与缸体衬筒孔71之间的间隙仅仅为10到15微米，通道的截面尺寸也必须非常小(约40微米深×150微米宽)。这些小尺寸使得制造困难。

但是，在本发明的优选实施例中，通过增加通道长度使得截面面积也能够增加到例如70微米×200微米可以使配合容易。这利用了能够在缸体衬筒10的表面形成任何合适形状的凹槽80的能力。凹槽80可以形成具有具有任何的路径，并且如果选择曲折路径，凹槽80的长度可以显著地大于从气体轴承供应总管到相应的形成气体轴承的开口31的直路径。优选实施例具有沿着螺旋路径的气体轴承凹槽80。相应路径的长度按照通道的优选截面面积来选择，它能够选择成易于制造(例如机加工或者可以通过诸如精密模制的一些其它形式)。

缸体部分

定子的每个部分5，6带有绕组。定子的每个部分5，6形成有“E”形叠片组，使得绕组围绕中心杆缠绕。绕组通过塑料线轴与叠片组绝缘。每个定子部分的特定形式并不构成本发明的一部分，并且有许多种可能的结构对于本领域技术人员而言是显而易见的。

正如已经提到的缸体部分1包括带有相关冷却套29的缸体衬筒10、气缸盖组件27和线性电动机定子部分5，6，它们全部相互刚性连接。而且，缸体部分1包括主弹簧15、排出管18和液体制冷剂注入管34的安装位置。它也带有将缸体部分连接到主弹簧15的安装装置。

缸体和套铸件33具有从其端部远离气缸盖延伸的上下安装支架41。以下将描述其优选形式的弹簧15包括位于其一端用于与缸体铸件33连接的刚性安装板43。一对侧向延伸的突出部42从安装板43伸出并且沿朝向缸体铸件33的方向与安装板43间隔开。突出部43设置成与紧邻弹簧端部进入安装板43的弹簧部分67，68轴向一致。缸体铸件33的上下安装支架41分别包括用于一个突出部42的安装狭槽。安装狭槽采取位于安装支架41的内面76上从支架41的自由端向着缸体套29延伸的榫接75的形式。至少一个锥形突起78形成在每个榫接75的朝内的面82上。每个这种突起78具有朝向缸体铸件33的垂直面79，使得突起78形成在组装过程中用于搭扣配合连接的倒钩部。尤其是，与榫接的相对面82之间的间隔大体上匹配的突出部42的侧向间隔使得突出部42仅仅依靠突出部42、安装支架41或者两者的变形来通过倒钩部78。一旦通过突起或者倒钩部78，突出部42被限制在倒钩部78的垂直面79与形成榫接75的端面的垂直面83之间。一个辅助的榫接或者凹部84形成在每个安装支架41的外面85上。该榫接84沿着外面轴向延伸并且与相应安装支架41的自由端77间隔一定距离，使得每个辅助榫接84至少与安装支架41内面上的相应榫接75交会。榫接75和84是足够深，使得它们交会或者交迭时，至少一个轴向开口86形成在它们之间。

优选地由冲压并且折叠的非磁性金属片形成的夹紧弹簧87具有从其穿过的中心开口88，使得它可以装配在所述一对安装支架41上。夹紧弹簧87具有与每个安装支架41相关的向后延伸支架89。这些支架89的自由端90在安装支架41的外面榫接84中滑动，并且是足够的小以通过在外内榫接84和75之间的轴向开口86。由于主弹簧安装板43的突出部42在安装支架41的内榫接75中保持在位，自由端90压靠突出部42并使它们保持紧靠相应倒钩部78的垂直面79。保持夹紧弹簧87处于负载状态下提供了紧靠突出部42的预定的预加载荷。

优选地，夹紧弹簧执行安装定子部分5，6的并行任务。穿过夹紧弹簧87的中心孔88相对于安装支架41，至少沿着相对于安装支架41的侧向方向精密地选择尺寸。夹紧弹簧87包括在其每个侧部区域92的定子部分夹紧表面91，侧部区域横跨在缸体铸件33的安装支架41之间。

缸体铸件33包括一对突出的定子支撑块55，定子支撑块在安装支架41的位置之间的位置从冷却套29朝向弹簧的面58伸出。

定子部分5，6的每个“E”形叠片组具有在其外面56上的垂直定向台阶69。在每种情况下，这是一个沿着远离电动机气隙方向的向外台阶。每个外面56更靠近气隙的部分可以合适地靠在缸体铸件33的支撑块55或者夹紧弹簧87的定子配合表面91上。当保持在位时，电动机部件之间的自然吸引将使定子部分5，6相互吸引。通过将垂直台阶57分别紧靠安装块55以及夹紧弹簧87的外边缘40，72来维持气隙的宽度。为了使定子部分5，6沿着垂直方向辅助地定向，每个安装块55(定子配合表面)包括在其外边缘的凹口57，它沿着垂直方向与“E”形叠片组的尺寸匹配。

电动机的该部分在一系列操作中被组装。活塞组件被引入到缸体铸件33。首先，包括带有成一体的凸缘3，36的活塞杆47、活塞套4和电枢转子磁体2的活塞组件被组装。由活塞套4和形成活塞面的前凸缘3构成的活塞被推入缸体衬筒10的孔71中，同时被引导通过缸体铸件33之间的缸体开口7。活塞杆47因此位于支架41之间。支架41朝内的面76包括沿着中心线从榫接75延伸的轴向狭槽28。在活塞杆47上的向外延伸突出部130在运行时在这些狭槽28中往复运动。组件的精确度使得通常(在没有碰撞或者外部运动的情况下)突出部130不接触狭槽表面。但是，在它们最接近缸体铸件33的端部，狭槽28包括窄且浅的部分131，该部分提供与活塞杆47的突出部130的紧配合。活塞组件被推入缸体衬筒孔71中直到突出部130啮合在这些窄的部分131中并且直到活塞面处于相对于缸体铸件33的机加工气缸盖接收面133的预定位置。

夹紧弹簧87安装在安装支架41上，并且主弹簧15通过使突出部42啮合在朝内的榫接75中并通过倒钩部或突起78而装配到支架41上。夹紧弹簧87被沿着远离缸体铸件33的方向推动并且压靠安装突出部42，直到获得足够空间以便在夹紧弹簧87的定子部分配合表面91与缸体铸件33的安装块55之间插入定子部分5，6。定子部分5，6因而被插入在它们的位置并且释放夹紧弹簧87。定子部分5，6的宽度在夹紧弹簧87上维持预定压缩。

随后在主弹簧15与活塞杆47之间形成连接。应注意的是，活塞保持在比压缩机运行过程中更向着气缸盖的预定位置。通过熔融主弹簧15上的模制钮25的塑料以及活塞杆47的后端部48的塑料来形成连接。通过热板焊接来进行熔接。在热板焊接时，主弹簧15优选地延伸到预定位置或者直到主弹簧15施加预定力。在两个塑性元件之间的热板焊接和熔接使得活塞面处于预定位置而主弹簧15处于其预定位移，一旦弹簧15被释放到其中性位置，这将使活塞相对于缸体铸件33精确地定位。无论由于组装链中的元件的公差导致的以弹簧15为形式的任何偏心或者累积不精确性如何，情况都是这样。

气缸盖

缸体铸件33的开口端被气缸盖组件27所封闭。压缩机头部因此封闭缸体衬筒10的开口端以及环绕缸体衬筒10的冷却套室32的开口端。整体地，气缸盖组件27包括叠置在一起的四个板100到103，并带有进气消声器/吸入总管104。

缸体铸件33的开口端包括头部固定凸缘135。头部固定凸缘135具有绕着其周边间隔开的多个螺孔136，固定螺栓拧入其中以便将叠置板100到103拉紧在一起并固定到缸体铸件33的面上。

环形榫接133设置在凸缘135的面上。在凸缘135的相对侧，榫接133包括向外延伸的凸部137，138，分别用作排出管18和回流管34的孔口。

在缸体铸件33的三个室之间设置有开口。

第一头部板100在环形榫接133中安装在缸体铸件33上。它是相对较柔韧并起着垫圈的作用。它封闭缸体套开口，但具有主中心开口因而不覆盖缸体衬筒10的开口端。压缩气体回流口110邻近与液体制冷剂回流管34相关的凸部138穿过板100。开口110最接近冷却套29的外壁的边缘至少在凸部138附近与该壁稍微间隔开。其效果是，当气体移动通过开口110进入冷却套室时，紧靠板100后面并且在榫接135的凸部138附近形成压力减小的小区域。

另一开口115在更靠近排出管18的位置穿过板100而形成。

第二头部板101装配在第一板100上。第二板101比板100的直径大并且是刚性的。它可以由钢、铸铁、或烧结钢制成。板101比板100位于其中的榫接宽阔。板101紧靠凸缘面并将第一板100压在榫接上。板101具有绕着其周边间隔开的开口139，其尺寸选择成使得螺栓的螺纹部分可自由地穿过。

第二头部板101包括与开口110对齐的压缩气体排出开口111。它也包括与第一板100上的开口115对齐的另外开口117。

板101的一部分封闭板100的缸体开口116。吸入口113和排出口114穿过板101的该部分。弹簧钢入口阀118固定到板101朝向缸体的面上，使得其一个头部覆盖吸入口113。入口阀118的基部被夹紧在板100和板101之间，其位置是通过销钉140固定。弹簧钢排出阀119安装到板101远离缸体的面。其一个头部覆盖排出口114。阀119的基部被夹紧在第二板101和第三板102之间并且通过销钉141定位。排出阀119装配并运行在第三板102的排出总管开口112以及形成在第四板103上的排出总管142中。入口阀118(除其基部之外)位于缸体压缩空间中并在其中运行。

弹簧钢入口和排出阀118，119在占优势的压力作用下整体地运行。在活塞退回在缸体衬筒孔71中时，在入口阀118的缸体侧的压力比入口阀的入口总管侧的压力低。因此，入口阀118打开以使制冷剂进入压缩室。当活塞在缸体衬筒孔71中前行时，在压缩空间中的压力比在入口总管中的压力高，入口阀118通过该压差保持在关闭位置。入口阀118通过其自身弹性被朝向该关闭位置偏压。

类似地，排出阀通常被偏压在关闭位置，它通过活塞在缸体衬筒孔71中的退回过程中占优势的压力保持在该位置。在活塞在缸体衬简孔71中前行过程中，它通过在压缩空间中比在排出总管中更高的压力推入打开位置。

第三板102安装在第四板103朝向缸体的面144上的圆形榫接143中。板102是相对柔韧的并起垫圈的作用，它被压在第四板103和第二板101之间。第三板102包括与第四板103的面144上的宽阔榫接142对齐的大开口112。开口112与榫接142一起形成排出总管，压缩制冷剂从排出口114流入该排出总管。

穿过第三板102的另一开口121与第四板103的面144上的榫接145对齐。开口121也与第二板101和第一板100的开口117和115对齐。气体过滤器120接收来自榫接145的压缩制冷剂、并经过第一和第二板上的孔146，147送到气体轴承供应通道73。

穿过第三板102的吸入开口95与第二板101上的吸入口113对齐。开口95也与穿过第四板103的吸入口96对齐。在第四板103的面98上的锥形或者平截锥形吸入口97通向吸入口96。吸入口96被进气消声器104封闭。进气消声器104包括例如单体模制件，在其朝向缸体铸件一侧具有大体上敞开的空间。当它与第四板连接时，该空间被第四板103所封闭。进气消声器104可以通过任何可能的方式连接到叠置板100到103上，例如通过将进气消声器的周围唇缘装配在第四板104的面上的通道中，或者通过穿过音器上的凸缘的螺栓将这些头部板连接到缸体铸件上，从而作为叠置的一部分将进气消声器固定到第四板上。进气消声器104包括沿着远离缸体铸件33的方向从封闭的吸入总管空间延伸到敞开端的通道93。该通道是制冷剂吸入通道。在压缩机处于其密封壳体中时，延伸穿过密封壳体的吸入管12的内突部109以较大间隙伸入吸入通道93。

冷却套

如上所述，相互连接的冷却套室32绕着压缩缸体衬筒孔71设置。在压缩制冷剂气体时，气体达到比它们进入压缩空间时的温度高许多的温度的状态。这加热了气缸盖组件27和缸体衬筒10。

在本发明中，供应液体制冷剂用于冷却缸体壁/衬筒、气缸盖和压缩的制冷剂。

液体制冷剂从制冷系统的冷凝器出口供应。它被直接供应到环绕缸体的冷却套室32中。新排出的压缩制冷剂在经排出管18离开压缩机之前流入冷却套室。在冷却套室32中，液体制冷剂蒸发，从压缩气体、缸体铸件33的环绕壁以及气缸盖组件27吸收大量热量。

排出冷凝器的液体制冷剂比紧接压缩之后的制冷剂的压力稍低，它是液体流向泵的排出侧的障碍。但是，优选地是，被动结构被用于使液体制冷剂流入冷却套。在本发明中，这是通过压缩机的结构的几个方面来实现的。首先，在紧邻从液体回流管34进入冷却套空间的出口处形成降低压力的小区域。上面已经讨论了较低压力区域的起源。它是通过压缩气体经头部板100上的压缩气体开口110流入冷却套而产生的。第二方面是由液体制冷剂回流管34沿着其长度方向往复运动产生的略微惯性泵动效应。往复运动是压缩机运行以及整个缸体部分相关往复运动的结果。缸体的振动使回流管34的轴向对齐部分148产生变加速度，当它与冷却套室32交迭时在液体回流管34的端部产生波动压力。由于在高压波动过程中液体进入冷却套时立即蒸发，在低压波动过程中的任何反向流是气流。由于气体与液体相比具有非常低的密度，非常少的质量流通过连接液体回流管34和冷却套的小凹口回流。结果，制冷剂净流入冷却套。

第三方面是，在用于家用冰箱和冷冻机的目的时，压缩机可以位于冷凝器之下。已经发现，如果来自冷凝器的液体制冷剂没有以足够速率进入冷却套，液体制冷剂落差形成在延伸到压缩机的管线中，这容易导致液体制冷剂的压力更接近于压缩制冷剂的压力。已经发现，在系统中的相对压力指示克服进入冷却套空间中的液体制冷剂时，该效果提供了自补偿措施。

制冷剂

用于减少由压缩机积聚的热量的另一方式涉及制冷剂。已经发现在线性压缩机中使用异丁烷(R600a)作为制冷剂相对于使用其它制冷剂会产生协同优点。

在线性压缩机和现有压缩机之间的一个根本差别是位于“上死点”的活塞之上的容积量。在现有压缩机中，该容积通过压缩机几何形状固定在排量较小部分处。在自由活塞线性压缩机中，“死”容积随着功率输入和排出压力而变化。在中等功率时，死容积可以是运行排量的较大部分，甚至高达25％。

死容积起着气体弹簧的作用，在压缩和重新膨胀过程中吸收和释放能量。但是，由于与缸体壁的不可逆热交换，它是一个不完美的弹簧。热交换与压缩过程中制冷剂的温度升高(或膨胀过程中的温度降低)成比例。温度升高取决于气体比热率。对于常用的制冷剂R134a，该比热率为1.127。对于其它常用制冷剂例如CFC12来说是类似的。但是，对于异丁烷(R600a)，比热率是1.108。下表给出了气体被压缩到与冰箱(OC蒸发器温度)和冷冻机(-18C蒸发器温度)的冷凝温度相匹配的饱和压力的绝热温度。二者都具有进入压缩机的32C过热气体和42C的冷凝器温度(这些是典型值)。

制冷剂	蒸发器温度
			-18	0
	异丁烷	87C			69C
HFC134a			99C	77C
	CFC12	104C			79C

因此，异丁烷和具有低比热率的其它制冷剂的特性被发现尤其与线性压缩机的物理特性相匹配。这种改进已经通过试验进行了验证。

在450升的冰箱上进行了一系列测试。它具有位于压缩机之前的吸入管线上的质量流量计。冰箱在一个环境室中根据AS/NZS 4474.1-1997标准进行测试。首先进行的测试使用制冷剂R134a。随后使用制冷剂R600a(异丁烷)进行两次测试。测试结果如下：

	R134a	R600a(测试1)	R600a(测试2)
				T冷凝器	34.3	33.3	33.5
T蒸发器	-3.5	-6.1	-4.5
				输入功率	22.3	18.1	17.8
制冷功率	75.25	75.01	75.07
				排量	7.96	8.7	8.48
性能系数	3.38	4.14	4.23

测试结果显示在异丁烷上运行的线性压缩机的性能系数与在R134a上运行相比得以显著提高。

弹簧系统

缸体部分1被排出管18和液体制冷剂注入管34支撑，它们具有沿着轴向方向的组合刚度K_缸体。支撑弹簧39沿着轴向方向具有非常低的刚度并且具有可忽略的影响。活塞套4由缸体孔和缸体衬筒10的边界中的腔和通道形成的气体轴承径向地支撑。为了使活塞和缸体共振，主弹簧具有的刚度K_主使得共振频率f_n可以从以下关系式得出：

 其中m_活塞，m_缸体是在活塞和缸体弹簧上的缓冲质量，由于压缩气体产生的刚度增大，自然频率f_n常常是10到20Hz，它小于使频率增大的理想运行频率。

如上所述，压缩机电动机包括两个部分，定子5，6和位于电枢转子22上的磁体。定子5，6以及电枢转子22的磁性相互作用在活塞上产生往复运动力。

定子线圈中的交流电不必是正弦的，只要交变频率接近于机械系统的自然共振频率，交流电将导致活塞相对于缸体铸件33实质地移动。共振力在定子部分上产生反作用力。定子部分5，6通过夹紧弹簧87刚性地安装到缸体组件上。

在本发明中提出主弹簧15具有比起作用的缸体弹簧的刚度大得多的刚度。主弹簧升高到“第三”模式频率之上的“第二”模式频率，使得“气体弹簧”随后仅进一步分开众数频率。

实际运行频率(“第二”模式频率)是由活塞和缸体的质量的复杂关系以及由缸体弹簧和主弹簧15的刚度决定的。当排出压力较高时，压缩气体的刚度必须被增加到主弹簧的刚度。但是，由于缸体弹簧是十分软(例如具有主弹簧1/10的刚度)，运行频率可由下式合理精确地得出：

通过减小振动质量并确保缸体弹簧相对较软，几乎可以消除由于除活塞/缸体移动导致的基本振动之外的源导致的外部振动。通过根本不具有特定缸体弹簧，并且利用排出管18的(通常是1000N/m)内在刚度(或者在使用冷却管的情况下，排出管和冷却管的刚度的结合，即，2000N/m)，缸体弹簧的刚度可以减小到最小。

对于在大约75Hz共振的压缩机、活塞质量在大约100g、并且缸体与活塞质量比为十比一，主弹簧(K_主)必须是40000N/m。通常气体弹簧的该值低于主弹簧的这个值，但不是低很多。在上述情况下，如果气体弹簧(K_气体)设计为大约15000N/m，运行频率可能预期为99Hz。

主弹簧

更高的运行频率减小了电动机尺寸但需要更大的弹簧刚度，并因而在弹簧中产生更高的应力。对于压缩机的使用寿命而言重要的是使用最高质量的弹簧材料。在过去，常常使用由压制弹簧钢板制成的主弹簧。但是，在压制操作中切割的边缘需要仔细的抛光以重新获得弹簧钢板最初的疲劳强度。

在本发明的优选实施例中，主弹簧是由圆形截面的琴用钢丝制成的，它具有非常高的疲劳强度，而不需要随后的抛光。

主弹簧的优选实施例显示在图1和2中。弹簧采取拧成双螺旋的连续环形式。形成弹簧15的钢丝段的自由端固定在安装板43中，安装板具有用于安装到一个压缩机部件上的突出部42。如图3所示和如上所述，这些突出部42安装到缸体部分1上，尤其是安装在支架41的狭槽中。弹簧15具有另外的安装位置62，用于安装到另一压缩机部件上，如图3所示和如上所述。在优选形式中，它是通过模制塑料按钮连接到活塞杆47上。弹簧15包括一对第一和第二弯曲或螺旋部分63，64，它们分别以恒定弯曲半径绕着缸体安装板。每个弯曲部分在大约360°范围内延伸。每个部分在其两个端部平滑地弯曲。在安装板过渡部分65，66，它们弯曲成使得它们在缸体安装板处的部分67，68径向地对齐。尖锐弯曲部分65，66选择成沿着过渡部分保持大体上均匀的应力。缸体安装端部67，68的对齐随后与缸体安装板对齐。弹簧15的恒定弯曲部分63，64可以为任意范围。在所示实施例中，它们分别为大约360°的范围。

如图1和2所示，弹簧15的安装板43位于其另一侧。中心安装位置62位于其更靠近一侧。恒定弯曲部分63，64分别在其下端光滑弯曲以便在横跨安装位置62处的弹簧常规圆的直径上相互对齐并且连续。直径的定位基本上与缸体部分安装板43的对齐端部67，68垂直。

恒定半径弯曲部分63，64通过活塞安装位置62相对于安装板43的位移而挠曲。由于半径恒定，沿着每个部分63，64的挠曲应力也基本上是恒定的。如果弹簧端部安装在安装板43中并且位于活塞安装位置62，在缸体安装部分67，68和活塞安装位置62处的径向或大体上径向方向减小了任何挠曲应力，从而改进了弹簧15与缸体部分和活塞部分的安装。

线性压缩机的应用

根据本发明优选实施例的线性压缩机主要用于家用制冷系统，例如冷冻机、冰箱或冰箱/冷冻机组合。该压缩机可以直接替代其它类型的压缩机，诸如转动曲柄压缩机。线性压缩机通过吸入管12接收低压蒸发制冷剂并通过排出管13排出高压压缩制冷剂。在制冷系统中，排出管13通常连接到冷凝器。吸入管12连接用于从一个或多个蒸发器接收蒸发制冷剂。液体制冷剂输送管14从冷凝器(或从冷凝器后面的累积器或者制冷剂管线)接收冷凝的制冷剂，如上所述地用于冷却压缩机。也包括穿过密封壳体的处理管16，用于排空制冷系统并且填充所选择的制冷剂。

包括本发明压缩机的制冷系统的组成并不构成本发明一部分。许多有用的制冷系统构造是公知的并且更多也是可能的。本发明的压缩机可以用于任何这种系统中。

根据本发明优选实施例的压缩机的用途不局限于家用冰箱和冷冻机的制冷系统，并且也可用于空调器的制冷系统。它也可用于非制冷剂用途的气体压缩机，在这种情况下用于冷却的液体制冷剂输送可以取消。

线性压缩机的运行和控制可以通过给定子部分5，6合适通电来进行。穿过密封壳体30设置有电源连接器17，它安装到开口19上。用于绕组供电的合适控制系统并不构成本发明的一部分，用于无刷DC电动机的许多替代驱动系统也是公知的并且是适用的。一个合适的驱动系统进一步描述在国际专利申请PCT/NZ00/00105。

优点

在上述详细描述中描述了根据本发明优选实施例的线性压缩机的许多优点。没有提到的其它一些优点包括：

(a)活塞杆与活塞、和主弹簧到缸体铸件33的安装支架41的弹性柔韧连接，以及活塞的轻重量和用于活塞套与缸体衬筒的材料的合适选择一起可以消除对压缩机中添加润滑剂的需要。因此，可以消除油润滑剂在整个制冷系统的制冷剂中的不利存在、或者对于油润滑剂的累积器或分离器的需要。

(b)轻重量的活塞和连杆组件减小了两个主压缩机结构的振动动量大小，从而使传递到密封壳体的振动减小。

(c)主弹簧是由具有高疲劳寿命的材料制成的，该材料在形成主弹簧之后不需要另外的抛光操作，而且主弹簧的形状和结构使得对于所需弹簧强度而言的材料用量、弹簧重量和弹簧尺寸最小化。

(d)将电枢转子磁体设置在活塞杆上使得活塞杆直接在定子气隙中运行提供了侧向紧凑的线性电动机，使得在定子的两个部分之间的电枢转子的运行能精确有效地调整。

(e)在活塞和活塞杆之间以及从连杆到缸体部分的顺从连接确保了活塞套不会由于不正确的非轴向定位导致在缸体孔中施加局部应力。

(f)在线性压缩机中使用异丁烷制冷剂与使用具有更高比热率的其它制冷剂相比可以提供协同优点。

(g)将液体输送到环绕缸体的冷却套可以给缸体和缸体头部组件、以及离开压缩机的组合压缩气流提供蒸发冷却。在不需要主动泵送装置的情况下可以实现排出冷却套中的高压气体。

(h)总体压缩机结构非常适合用于家用电器中。由于密封壳体低的总高度，电冰箱或制冷剂的机器空间的尺寸可以减小。出于内部空间的考虑，机器室通常在电器的整个宽度上延伸，无论其所需容纳的元件如何。但是，其高度和深度通常是由装配压缩机的最大高度和深度要求所决定的。根据本发明的线性压缩机的低型面高度归功于压缩机元件是首尾相连地而不是同心地布置。

(i)压缩机的主弹簧和电动机部件受到由部件几何形状、尺寸和形状决定的一定程度的弹性预加载荷的作用。由于不完美的组装、由于正常的制造公差、或由于电动机运行的效果，在压缩机运行过程中部件变松并随之碰撞、发出咔哒声或出现故障的可能性减小或者消除。

(j)在热板焊接工艺中活塞杆以所述方式熔接到主弹簧上使得活塞面相对于主弹簧的中性位置精确地定位。因此，压缩机可以运行而具有较低气缸盖间隙，确保活塞在其行进的前端不撞击气缸盖。

Claims (5)

1、一种在线性压缩机中连接在线性压缩机的缸体(1)和活塞部分(47)之间的弹簧，其特征在于，所述弹簧包括：

由高疲劳强度金属钢丝制成的闭合环，它具有在第一平面上的第一直的部分(67，68)和在与第一平面平行的第二平面上的第二直的部分、以及大体上恒定曲率的第一螺旋部分(63)和第二螺旋部分(64)，每个螺旋部分连接在所述第一直的部分的相应端与所述第二直的部分的相应端之间，所述螺旋部分具有从所述第一直的部分移动到所述第二直的部分的相同弯曲方向。

2、如权利要求1所述的弹簧，其特征在于，包括位于所述第一直的部分(67，68)和第二直的部分与所述第一螺旋部分(63)和第二螺旋部分(64)之间的连接处的多个过渡部分(65，66)，每个所述过渡部分在一端与其相应的所述直的部分对齐，在另一端与其相应的所述螺旋部分对齐，并且在所述端部之间以向着所述螺旋部分减小的曲率在所述端部之间弯曲。

3、如权利要求1所述的弹簧，其特征在于，在所述第二平面上的所述第二直的部分的定向垂直于在所述第一平面上的所述第一直的部分(67，68)的定向。

4、如权利要求1至3任一所述的弹簧，其特征在于，包括与所述第一直的部分(67，68)连接的安装板(43)，一对突出部沿着所述第一直的部分的定向的方向在与所述第一平面平行的平面上向外延伸。

5、如权利要求1至3任一所述的弹簧，其特征在于，包括模制在所述第二直的部分中心区域上的塑性组合材料安装钮(25)。

Images